CN109931494A - 用于储氢的储氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于储氢的储氢装置(10)和一种用于从所述储氢装置(10)中释放氢气的方法(100)。此外，本发明涉及一种能量产生装置(50)和一种包括所述储氢装置(10)和/或所述能量产生装置(50)的飞行器(1)。根据本发明，提供了一种储氢装置(10)。所述储氢装置(10)包括外涂层(12)、内芯材料(14)、和在所述外涂层(12)中的释氢接口(16)。所述内芯材料(14)包括复合材料，所述复合材料含有包含多孔含碳材料的基质材料和包含化学键合的氢的储氢材料。

Description

用于储氢的储氢装置
技术领域
本发明涉及一种用于储氢的储氢装置和一种用于从所述储氢装置释放氢气的方法。此外，本发明涉及一种包含所述储氢装置的能量产生装置和一种包含所述储氢装置或所述能量产生装置的飞行器。
背景技术
在诸如汽车或飞行器的移动应用中使用的许多局部部件需要电力。许多这些部件、并且特别是安全设备是与运行移动应用实际需要的电气部件(例如飞行器的导航系统、燃料量表、飞行控制器和液压系统)分开的。例如，在飞行器中，此类局部部件是各种类型的机舱设备，例如区域加热器、机舱通风器、独立通风器、区域灯或射灯如机舱灯和/或乘客座椅的阅读灯、高舒适座椅、供水系统、乘客电子产品用充电站和电源插座、厨房和厨房装置、应急照明、应急电筒、救生筏的电气设备、冲压空气涡轮机(RAT)以及还有用于对飞行器执行勤务的辅助动力单元(APU)。
燃料电池作为清洁能源已受到关注。燃料电池系统的技术通过使用燃料电池催化剂将氢源(即，如液态烃的燃料)与来自空气的氧气组合以产生电能作为主要产物。除电力外，燃料电池系统还产生热力(即，热量)、水或水蒸气和贫氧空气。这些副产物的危害远低于通过燃烧化石燃料的电力产生装置产生的二氧化碳排放。因此，希望使用燃料电池来产生电能(尤其在飞行器中)。
对于储存用于驱动燃料电池所需要的氢气，有若干选择。一种选择是将氢气以压缩或液体状态储存，例如通过使用通常已知的气瓶。然而，这需要高压力并且在一些应用中还需要非常低的温度。目前用于液体或压缩氢气的可用储存罐是非常重的和/或体积大的，并且由于高氢气压力和(如果需要)低于环境温度的要求，它们难以重新填充。例如，从Dynatech公司可得的2升700巴的储瓶重约4.8kg并且具有1.7wt.％H2的最大重量密度，并且从Luxfer公司可得的5升300巴储瓶重约3.8kg并且具有2.6wt.％H2的最大重量密度。大多数应用目前使用压缩氢气储存解决方案。然而，特别是如果用于移动和便携式应用，以高压力储存氢气会导致安全顾虑。
另一种选择是将氢气以固态储存。然而，以固态储存氢气需要满足一套难以实现的标准。用于评估潜在储氢材料的适用性的相关标准是例如材料的氢气容量(重量％；kg氢气/kg系统)、脱氢温度的温度范围、系统体积密度(g/L；kg氢气/L系统)、充填速率和排空速率如系统填充时间(燃料加注速率，kg/min)、储存系统成本($/kg氢气)和操作循环寿命。
目前可用的固态储氢材料的形式(landscape)主要由金属氢化物、化学氢化物(也称为“化学氢气”)和为多孔固体的吸附剂构成。金属氢化物提供纯氢气，但是然而仅在高温下释放它并且是显著地空气敏感的。吸附剂的缺点是不适合移动应用的低操作温度，并且大多数实验研究还示出，这类储氢材料具有低的体积氢气密度和重量氢气密度，特别是在它们具有-180℃或更高的脱氢温度的情况下。化学氢化物材料具有中等脱氢温度，具有合适的氢气容量，但是可能释放有毒气体，这些有毒气体可能作为副产物使燃料电池催化剂中毒。换句话说，到目前为止，没有满足所有标准的可用材料，并且最佳性能的已知储氢材料的每一种都具有各自的优点和缺点。此外，可商购的固态储存罐相对重，并且罐的重量氢气密度典型地≤2wt.％。例如，来自Zoz有限公司的H2-Tank2GO具有约3kg的总重量并且提供约1.2wt.％的重量氢气密度。
对于诸如飞行器的移动应用，特别是氢气容量和脱氢温度的温度范围是高度相关的。由于目前可用的固态储氢装置不能令人满意地满足这些要求，并且进一步，由于此类可用储存装置的相对高的重量，固态储氢尚未被考虑用于此类移动应用。
因此，需要允许克服上述缺点的新型储氢装置。此外，需要一种用于从此类新型储氢装置中有效并且可靠地释放氢气的方法。
发明内容
本发明的目的由独立权利要求的主题来解决，其中进一步的实施例并入从属权利要求中。在说明书和附图中进一步描述了本发明。
根据本发明的一方面，提供了一种储氢装置。所述储氢装置包括内芯材料、外涂层、和在所述外涂层中的释氢接口。所述内芯材料包括复合材料，所述复合材料含有包含多孔含碳材料的基质材料和包含化学键合的氢的储氢材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于从根据本发明的储氢装置中释放氢气的方法。所述方法包括以下步骤：将所述储氢装置连接到能量电源(energy power source)；通过所述能量电源向所述储氢装置施加能量；并且经由所述释氢接口从所述储氢装置释放氢气。
根据本发明的另一方面，提供了一种能量产生装置，所述能量产生装置包括本发明的储氢装置。
根据本发明的另一方面，提供了飞行器，所述飞行器包括本发明的储氢装置或本发明的包括所述储氢装置的能量产生装置。
附图说明
图1A和图1B示出了本发明的储氢装置的两个不同实施例的示意图；
图2示出了本发明的能量产生装置的示意图；
图3示出了用于从本发明的储氢装置中释放氢气的方法的示意图；并且
图4示出了包含本发明的能量产生装置的飞行器的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种储氢装置，所述储氢装置包括内芯材料、外涂层、和在所述外涂层中的释氢接口，其中所述内芯材料包括复合材料，所述复合材料含有包含多孔含碳材料的基质材料和包含化学键合的氢的储氢材料。因此，本发明的储氢装置是固态储氢装置，即，其中氢气以固态储存而不是例如以气态或液态储存的储存装置。
本发明的储氢装置包括内芯材料。所述内芯材料包括复合材料，所述复合材料含有包含多孔含碳材料的基质材料和包含化学键合的氢的储氢材料。
根据实例，包含多孔含碳材料的基质材料包含多孔非晶碳材料或多孔石墨烯衍生的材料，并且优选地包含多孔石墨烯衍生的材料，例如像多孔石墨烯、多孔氧化石墨烯、多孔还原氧化石墨烯或多孔其他功能化的石墨烯衍生的材料。更优选地，包含多孔含碳材料的基质材料包含多孔氧化石墨烯并且甚至更优选地，包含多孔含碳材料的基质材料由多孔氧化石墨烯组成。
含碳材料，如石墨烯衍生的材料，包括石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯，可以为本发明的储氢装置提供极低密度的基质材料，即，支撑材料。因此，通过使用含碳材料作为基质材料，可以降低该基质材料的总重量并且因此降低本发明的总储氢装置的重量。此外，在使用石墨烯衍生的材料的情况下，可以由这些二维片状材料形成复杂的分层结构，这些二维片状材料延伸到三维(例如通过将这些二维片状材料彼此堆叠在一起)。此类三维分层结构可以限制包含化学键合的氢的储氢材料，从而增强该储氢材料关于选择性释氢、高纯度氢气的释放以及在较低温度下释氢的特性。
根据实例，在本发明的储氢装置中使用的包含多孔含碳材料的基质材料具有1-100mg/cm3、优选5-50mg/cm3、并且更优选8-20mg/cm3、例如像从8-15mg/cm3或8-12mg/cm3的密度。用于测定密度的测量方法不受限制并且通常是技术人员已知的。例如，该多孔含碳材料的密度可以用氦测比重法测量。在此方法中，样品密度通过使用典型地为氦的惰性气体测量浮力来测定。该程序类似于静态气体吸附，不同之处在于不需要压力调节。例如，测比重法测量可以使用来自Hiden Isochema公司(英国沃灵顿)的智能重量分析仪(IGA)进行。例如，IGA手册(例如来自2007的版本E；文件号HA-085-060)、并且特别是其第4.3节(样品密度测定)和附录B(浮力校正)提供了详细的密度测量方案。
该多孔含碳材料可以进一步包含壁，这些壁是相应含碳材料(例如像相应石墨烯衍生的材料)的片的组合件。
该含碳材料的片是该含碳材料的单原子层，即，该含碳材料(例如像石墨烯衍生的材料)的单个原子片。在该含碳材料是例如石墨烯的情况下，该片含有以基本上蜂窝状结构sp2-键合的碳原子。在该含碳材料是例如氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的情况下，该片含有以基本上蜂窝状结构sp2-键合的碳原子以及sp3-键合的碳原子，其中，这些sp3-键合的碳原子键合到氧原子，该氧原子可以位于由这些sp2-键合的碳原子形成的层的水平面下方或上方。换句话说，这些sp2-键合的碳原子致密地堆积在蜂窝状晶格中，并且此晶格在可以附加地键合到氧原子的sp3-键合的碳原子的位置处是稍微破裂的。因此，该含碳材料的单原子层的厚度为一个碳原子。在该含碳材料是例如氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的情况下，氧原子进一步位于由sp2-键合的碳原子形成的层的水平面的下方和/或上方。
若干个(即，多于一个并且最高达上百或上千个)紧密堆叠在一起的含碳材料(例如像石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯材料)的单原子片的组合件可以形成壁，即，层。换句话说，在该含碳材料的壁中，多个含碳材料片致密地堆积。若干个含碳材料片的此种壁比单个含碳材料片具有更高的稳定性和刚性。壁厚是例如经由在用于制备该多孔含碳材料的方法中使用的温度梯度可调节的，如将在下面描述的。通过定义，石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯材料中的任何一种是二维材料，并且甚至如上所述的若干个彼此堆叠的其单原子片的组合件可被认为是二维材料。由于氢键，这些壁保持在一起。在宏观尺度上，该材料可能类似于多孔但刚性的海绵状材料，而在微观/纳米水平上，该结构由在所有三个维度上延伸的二维材料的簇的层次构成。
在该多孔含碳材料包含氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的情况下，该氧化石墨烯片以及氧化石墨烯片的壁中的碳原子与氧原子的比率(C/O原子比率)可以在从300/1至1/1，如从200/1至1/1、从100/1至1/1、从50/1至1/1或从20/1至1/1的范围内，并且优选在10/1与1/1之间并且更优选在5/1至1/1、如2.5/1至1.2/1之间。如果该原子比率是从5/1至1/1或甚至从2.5/1至1.2/1，由于大量的氧原子，该多孔氧化石墨烯材料可以捕获较大量的储氢材料，如将在下面描述的。换句话说，此种多孔氧化石墨烯材料或还原氧化石墨烯材料可以储存较大量的储氢材料，并且因此可以释放较大量的氢气。
该含碳材料是多孔的。多孔材料的典型特征是通常通过在77K下用氮吸附测定的其表面积(m2/g)、孔体积(cc/g)和孔径分布布鲁诺尔-埃米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller)(BET)法是用于测定固体材料的表面积的最广泛使用的程序，并且通常是技术人员已知的。例如，孔隙率可以使用来自康塔仪器公司(Quantachrome Instruments)(美国佛罗里达州)的Quadrasob Evo装置测定。Quadrasob Evo用户手册6.0版提供了对于孔隙率测量详细的方案和理论。对于多孔材料的表征的更多细节例如在IUPAC(国际纯粹与应用化学协会(International Union of Pure and Applied Chemistry))1994年技术报告(Pure&Appl.Chem.[纯粹与应用化学]，第66卷，第8期，第1739-1758页)；S.Lowell、JoanE.Shields、Martin A.Thomas和Matthias Thommes的出版物“Characterization ofporous solids and powders:surface area,pore size,and density[多孔固体和粉末的表征：表面积、孔径和密度]”，Springer，2006；和/或BET方法原出版物(J.Am.Chem.Soc.[美国化学会志])，1938，第60卷，第2期，第309-319页)中提供。如在此使用的，孔隙率还描述了该多孔含碳材料的宏观结构，即，多于一个(即，多个)含碳材料片和/或含碳材料片的壁相对于彼此的位置。该多孔材料的空隙是多于一个(例如多个)含碳材料片和/或含碳材料片的壁之间的空间。
根据实例，包含多孔含碳材料的基质材料优选具有层状孔隙率。如在此使用的术语“层状孔隙率”描述以下结构，其中多于一个(即，多个)含碳材料片和/或含碳材料片的壁基本上彼此平行地堆叠，使得两个相邻含碳材料片和/或含碳材料片的壁之间的平均距离是基本上恒定的。换句话说，具有层状孔隙率的多孔含碳材料的宏观外观是层状结构，其中这些含碳材料片和/或含碳材料片的壁一个在另一个上平行地堆叠，从而形成单块形式。甚至换句话说，不能观察到结构的特定中心。
上述包含含碳材料的基质材料的一个优点是它可以限定该储氢装置的整个结构的形状和体积，并且还可以为该储氢装置提供固有强度。此外，上述包含含碳材料的基质材料的另一个优点是它可以充当分子筛，该分子筛从由限制在该基质中的储氢材料获得的氢气中除去有害的气态副产物。例如，如果该储氢材料含有氮和/或硼，包含含碳材料的基质材料可以除去不希望的副产物，如氨和二硼烷。
该内芯材料进一步包含储氢材料，该储氢材料包含化学键合的氢。
如在此所使用的术语“包含化学键合的氢的储氢材料”是指其中氢直接键合到比氢更具电正性的元素(即，具有比氢更低的电负性值的元素)的任何化合物，含有键合到与碳不同的元素例如像氮或氧的氢的任何无机化合物或盐，以及其中氢占据间隙位置的过渡金属或镧系元素的任何合金。优选地，包含化学键合的氢的储氢材料是其中氢直接键合到比氢更具电正性的元素的任何化合物。
术语“包含化学键合的氢的储氢材料”可以是指含有键合到与碳不同的元素例如像氮或氧的氢的任何无机化合物或盐。优选地，该氢排他地键合到与碳不同的元素例如像氮或氧。实例是氨合物、肼合物(hydrazinate)、以及含有胺基、酰胺基、酰亚胺基和羟基的化合物。特别优选的实例是LiNH2、Li2NH、Mg(NH3)6Cl2、Mg(NH3)6(BH4)2和NaOH。
术语“包含化学键合的氢的储氢材料”可以是指其中氢占据间隙位置的过渡金属或镧系元素的任何合金，如LaNi5或Mg2Ni。
术语“包含化学键合的氢的储氢材料”可以是指并且优选是指其中氢直接键合到比氢更具电正性的元素的化合物。换句话说，在此类化合物中，氢具有-I的形式氧化态。根据本发明的包含化学键合的氢的储氢材料例如可以是金属氢化物或类金属的氢化物。合适的金属氢化物的实例包括氢化锂(LiH)、氢化钠(NaH)、氢化镁(MgH2)、氢化钙(CaH2)、氢化铝或铝烷(AlH3)，以及由所述金属氢化物(任选地与过渡金属或镧系元素组合)形成的三元和更高级化合物。类金属的氢化物的实例包括硼的氢化物，如氨硼烷、酰胺基硼烷、和金属硼氢化物(如硼氢化钠、硼氢化锂或硼氢化镁(如硼氢化镁氨合物))；以及铝的氢化物，如含有诸如AlH4 -和AlH6 3-物种的铝氢化物。优选地，根据本发明的包含化学键合的氢的储氢材料包含氨硼烷和/或金属硼氢化物，更优选地包含氨硼烷或硼氢化镁氨合物，并且甚至更优选地包含氨硼烷。
包含化学键合的氢的储氢材料提供从根据本发明的储氢装置释放的氢。
本发明的储氢装置的内芯材料可以使用以下方法(即冰模板法)制备，该方法包括以下步骤：
(i)将包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液分散，
(ii)将该经分散的包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液冰模板化，以便获得包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液的冷冻单块，并且
(iii)冷冻干燥所获得的包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液的冷冻单块。
在步骤(i)中，例如通过超声分散将包含在溶剂中的含碳材料和储氢材料的悬浮液分散。换句话说，在用于生产内芯材料的冰模板法中，首先将该含碳材料和该储氢材料混合。该混合可以在固态下进行，接着添加溶剂或首先在该溶剂中添加一种组分并且随后添加另一种组分。例如，可以将该储氢材料添加到该含碳材料的分散体中。该含碳材料与该储氢材料的比率不受特别限制并且可以在按重量计从100:1至1:10、优选按重量计从20:1至1:5、更优选按重量计从10:1至1:2、甚至更优选按重量计从5:1至1:2、并且最优选从2:1至1:2的范围内。该分散体可以具有在1mg/mL与100mg/mL之间、优选在5mg/mL与50mg/mL之间、更优选在10mg/mL与30mg/mL之间、并且最优选在14mg/mL与20mg/mL之间的储氢材料浓度。
如果该悬浮液是通过超声分散来分散的，可以使用任何可商购的超声设备(例如像，来自Elma Schmidbauer有限公司(德国斯图加特)的Elma S30Elmasonic bath)进行超声处理。超声处理的持续时间不受限制。然而，为了确保最佳分散结果，超声处理进行至少30秒、优选至少1分钟、更优选至少2分钟、并且最优选至少5分钟。考虑到程序效率，超声处理通常进行不长于30分钟、并且优选不长于10分钟。
溶剂本身不受限制，并且可以是任何有机或无机溶剂，如乙醇、乙腈、四氢呋喃和水(除了别的之外)，或者也可以是溶剂的混合物，如上述溶剂中的两种或更多种的混合物。必须考虑到，该溶剂与待分散的储氢材料相容，即，例如，该溶剂不与该储氢材料反应。对于一些储氢材料(如氨硼烷)，优选水作为溶剂。对于一些储氢材料(如金属硼氢化物)，优选乙腈作为溶剂。
在步骤(ii)中，进行包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液的冰模板化，以便获得包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液的冷冻单块。
对于冰模板化，包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液通过冷却剂冷却。该冷却剂本身不受限制，并且例如可以是能够取决于所使用的溶剂或溶剂的混合物冷冻该悬浮液的任何冷却剂。因此，该冷却剂例如可以是气体，如液化气体如液氮、液氢、液氩或液氦，或干冰(二氧化碳)、甲醇和/或氨，并且最优选是液氮。
可以将在步骤(i)中获得的悬浮液倒入在金属板上的模具中。该模具的形式不受特别限制，并且该模具因此可以具有任何希望的形状，例如像具有多边形、椭圆或圆作为底部的任何三维结构。换句话说，取决于本发明的储氢装置的希望三维形状，该模具可具有任何希望的三维形状。该模具可以由任何合适的材料制成。然而，优选的模具是特氟隆模具。该金属板用作高导热介质，并且可以由任何合适的金属或金属合金制成，优选由铜、铝、钢(例如像不锈钢)、铁和镍、其混合物和/或其合金制成。可以使用真空油脂将该模具附接到该金属板。
将该液体悬浮液倒入该模具中。该金属板悬浮在该冷却剂(如液化气体、优选液氮)的表面上，并且使该悬浮液冷却。因此，温度梯度是垂直的，导致层状孔隙率。另外，还可以通过控制温度梯度来调节含碳材料片的壁的厚度。不受理论束缚，建议以下机制。快的冷却速率将产生高数量的成核点，并且因此产生大量冷冻溶剂的晶体，例如像如果使用水作为溶剂则为冰晶体。这在晶体之间产生较小空间，具有使材料的壁更薄的效果。相比之下，降低的(即，较慢的)冷却速率有助于较少的冷冻溶剂晶体(例如像如果使用水作为溶剂则为冰晶体)的生长(通过较少的成核点)，并且因此在材料中产生较厚的壁。
在步骤(iii)中，进行所获得的包含含碳材料和包含化学键合的氢的储氢材料的悬浮液的冷冻单块的冷冻干燥以使溶剂蒸发。冷冻干燥通常是技术人员已知的，并且通过将含有待干燥的冷冻物质的容器抽真空来进行。例如，取决于所使用的特定溶剂，冷冻干燥可以在减压(例如10.000Pa或更低、优选1000Pa或更低、并且最优选100Pa或更低的压力)下进行。冷冻干燥的持续时间可以从几分钟至几小时或甚至几天变化。通常，冷冻干燥进行至少1小时、优选至少2小时、并且最优选至少5小时。然而，出于效率原因，冷冻干燥通常进行不长于48小时、并且优选不长于24小时。典型地，冷冻干燥进行约16小时至24小时。如将理解的，压力和持续时间的具体选择还取决于待冷冻干燥的单块的尺寸以及待蒸发的溶剂，并且是技术人员能够容易估计的。
上述冰模板法的优点是含有基质材料和储氢材料的复合材料是原位模板化的，这避免了目前在所有已知限制方法中使用的麻烦并且有挑战性的浸渍或渗透过程。
本发明的储氢装置进一步包含外涂层。该外涂层提供了该内芯材料的体积效率的限制。该外涂层的类型和材料本身不受特别限制，并且合适的材料通常是技术人员已知的。然而，该外涂层优选地包含至少一种选自石墨烯、石墨烯衍生的复合材料、纤维材料如碳纤维或玻璃纤维(例如编织在织物中)、氧化铟锡(ITO)和聚氯乙烯的材料，并且更优选地包含石墨烯。
优选地，该外涂层本身具有低的重量，从而提供轻的表皮并且因此优化整个本发明的储氢装置的重量密度。更优选地，该外涂层本身是透明的。透明材料允许例如在本发明的储氢装置的外涂层中设计窗口，使得能够直接视觉检查该储氢装置的内芯材料以检测例如任何机械故障。甚至更优选地，该外涂层本身是导电的。导电材料允许例如通过电在该储氢装置中更好地监测氢气和/或加热。特别地石墨烯满足所有这些特性。如技术人员所理解的，石墨烯在最高达几层的厚度下是透明的。如果使用聚氯乙烯，则甚至进一步的优点是它耐氢、氨和一氧化碳。如技术人员所理解的，聚氯乙烯也可以是透明的。
将该外涂层施用到该芯材料上不限于某种方法。将外涂层施用到基材上的常用方法通常是技术人员已知的，并且包括通过物理气相沉积、化学气相沉积和/或喷涂技术施用，即，可以将该外涂层喷涂到该内芯材料上。可替代地，也可以将该内芯材料包裹在该外涂层内。
该外涂层可以进一步包含附加添加剂。此类添加剂通常是技术人员已知的，并且可以改进像强度、电子传导性、抗切割性/抗撕裂性、防水性、自清洁能力、自修复能力、耐火性、耐压差性和/或耐化学性的特征。优选地，所述外涂层进一步包含导电添加剂。这些附加添加剂可以例如是金属和/或陶瓷和/或聚合物的，并且包括碳纳米管、金属颗粒或金属线(如由铝、铜或铁制成的线)。优选的附加添加剂是碳纳米管，因为其重量轻。优选的导电添加剂例如是石墨烯、金属纳米颗粒、导电聚合物或氧化铟锡(ITO)。
所述外涂层可以被配置为热源并且控制加热所述内芯材料。该加热可以利用焦耳效应通过电来进行。换句话说，该加热可以通过穿过导电外涂层或安排在该外涂层上或内的多个导电元件的电流进行。这可能需要在该外涂层上存在接口，用于将该外涂层连接到电源、特别是电流源。因此，在一个实施例中，该外涂层包含用于将该外涂层连接到电源的接口。因此，该外涂层可以包含由安排在该外涂层上或内的导电路径制成的网。该网可以包含加热元件或线，这些加热元件或线发出由通过电流流过产生的热能。在另一示例性实施例中，该导电路径形成单个导电元件，其被引导穿过该外涂层。该线可以铺设在该外涂层上或内，像基质或多个平行部分，使得该外涂层的表面被基本均匀地加热到希望的温度。可以在该外涂层上安排温度传感器以监测该外涂层的温度。可以将温度传输到控制单元，该控制单元被配置成用于控制流过导电元件的电流，以便提高或降低温度。例如，热控制系统可以包含被适配成通过珀耳帖效应(Peltier effect)冷却外涂层的元件，例如像电路系统。
在另一个实施例中，透明导电材料如氧化铟锡的膜可以附加地沉积在该外涂层上或者可以是该外涂层的一部分。
本发明的储氢装置进一步包含在该外涂层中的释氢接口。根据实例，所述释氢接口是阀门。该阀门可以提供可调节的氢气出口和/或用于将该储氢装置连接到诸如管道或管的另外部件的接口。该阀门跨越该储氢装置的外涂层，以便允许在该储氢装置的内部体积(即，内芯材料)与其外部之间的氢气流动。
根据实例，在该内芯材料内安排至少一个热源。该热源可以被配置成用于提供用于最大和/或限定的氢气释放的优化热量分布。
根据实例，所述储氢装置是可再充填有氢气的和/或可再循环利用的。该基质材料和该储氢材料都可以被潜在地再循环和再利用。例如，可以将使用过的内芯材料的复合材料再分散在溶解该储氢材料的分解产物的溶剂中并且过滤以便从该分散体中分离出该多孔含碳材料。干燥后，该含碳材料可以与新鲜储氢材料一起被再利用。溶解的分解产物也可以在干燥后再生，例如通过施加热量和氢压力以获得金属氢化物。
本发明的储氢装置具有希望的高储氢速率，并且特别是具有高的重量氢气密度，如特别地与标准电池相比总体比重是低的。此外，本发明的储氢装置在不使用时处于室温大气压下。换句话说，在此种“静止”状态下，即使该储氢装置遭到物理破坏(例如由于断裂或破裂)，它仍然保持安全，因为在环境压力下没有氢气泄漏。此外，由于本发明的储氢装置处于大气压下，与高压储氢装置相比，需要较少维护。
此外，与刚性储氢装置(如例如由钢或碳纤维复合材料制成的那些，典型地需要承受高压力)不同，根据本发明的储氢装置具有可调节的结构。可以调整形状以适应应用空间，即，体积，同时保持希望的储存特性。
本发明的储氢装置通过控制从该储氢材料中释放氢来运行，该储氢材料被限制在包含多孔含碳材料的基质材料(例如像基质材料的层或片)之间。由于该基质材料和该储氢材料的相互作用，与单独地该储氢材料的脱氢温度相比，该储氢材料的脱氢温度可以被降低。此外，不希望的副产物一氧化碳、二氧化碳和氨的量非常低并且接近检测极限。所有副产物的含量是相对于释放的氢气量至少低1000倍。换句话说，本发明的储氢装置10允许在降低的温度下选择性氢释放。
此外，在本发明的储氢装置的一些实施例中，例如如果该储氢材料是氨硼烷，则仅需要热量以引发反应并且一次性从该复合材料中释放氢气。换句话说，在此种情况下，仅在开始时需要加热，因为一旦开始氢气释放就将是自发的，即，反应是放热的。在这种情境下，所有氢气将从该储氢装置释放，这使该储氢装置可以成为用于为应急系统(例如像应急定位发射器或救生筏中的应急系统)提供电的燃料电池的理想储氢装置。
本发明进一步提供了一种用于从本发明的储氢装置中释放氢气的方法。所述方法包括以下步骤：将所述储氢装置连接到能源；通过所述能源向所述储氢装置施加能量；并且经由所述释氢接口从所述储氢装置释放氢气。
所述能源优选是电源和/或微波源。施加到该储氢装置的能量需要能够充分加热该储氢材料，使得实现或至少引发该储氢材料的分解以便释放氢气。例如，在一些实施例中，所施加的能量需要能够将内芯材料加热至150℃，如最高达130℃或120℃。然而，在一些实施例中，也可以仅将该储氢装置加热至最高达90℃或甚至80℃，假如这样的温度已经足以引发该储氢材料的分解。例如，在约80℃的温度下氨硼烷和硼氢化镁氨合物的分解反应可能已经被引发。较低的温度是希望的，因为它们需要较少的能量输入。
本发明还提供一种能量产生装置，该能量产生装置包含本发明的储氢装置和燃料电池。该能量产生装置可以用于例如在飞行器中向局部部件供应电力，这些局部部件例如是各种类型的机舱设备，例如区域加热器、机舱通风器、独立通风器、区域灯或射灯如机舱灯和/或乘客座椅的阅读灯、高舒适座椅、供水系统、乘客电子产品用充电站和电源插座、厨房和厨房装置、应急照明、应急电筒、救生筏的电气设备、以及还有用于对飞行器执行勤务的辅助动力单元(APU)。
本发明进一步提供一种飞行器，该飞行器包含本发明的释氢装置或本发明的能量产生装置。
图1A和图1B示出了具有不同形状的根据本发明的储氢装置10的两个不同实施例。所述储氢装置10包含外涂层12、内芯材料14、和在所述外涂层12中的释氢接口16。所述内芯材料14包括复合材料，所述复合材料含有基质材料和包含化学键合的氢的储氢材料。
储氢装置10的内芯材料14由包含多孔含碳材料(如多孔石墨烯衍生的材料，如氧化石墨烯)的基质和包含化学键合的氢的储氢材料(如氨硼烷或硼氢化锂)构成。在实施例中，多孔含碳材料是氧化石墨烯，并且储氢材料是氨硼烷。在另一个实施例中，多孔含碳材料是氧化石墨烯，并且储氢材料是硼氢化镁氨合物。这些复合材料具有稳定的、相对稳健的结构，这些结构可以通过结合强化元素来进一步修饰以增强其单块结构。这些储氢装置10材料耐受高的温度和机械应力，并且在合适的工作条件下适用于延长的循环。由于含碳材料、并且特别是基于石墨烯的材料的塑性如延性和展性，储氢装置10可以根据系统要求(和可用的自由空间)以不同形状形成，从而提供紧凑储存解决方案。内芯材料的复合材料(例如氧化石墨烯与氨硼烷或硼氢化镁氨合物)可以包封和/或衬垫和/或表面处理和/或结合有合适的高强度化学惰性添加剂。例如，这些其他组分可以根据例如强度、柔韧性、导电性和/或导热性和化学回弹性的需要而是金属和/或陶瓷和/或聚合物的。
在实例(未示出)中，石墨烯是透明的。因此，就可以有可能视觉监测储氢装置10。可以利用这种特性在储氢装置10的外涂层12中设计“窗口”，或实际上使整个储氢装置10透明。此种选择使得能够直接视觉检查储氢装置10的内芯材料14以检测例如任何机械故障。目前的储氢装置材料(例如，金属、碳纤维)都不是透明的，并且“窗口”是不可能安全地整合在目前的高压力罐技术中的。
所需的运行时间是储氢装置10的尺寸的标准，即，对于特定应用所需的氢气越多，储氢装置就越大。
图2示出了能量产生装置50的示意图。因为储氢装置10具有高的储氢速率，它可以与燃料电池结合来替代电力转换器或常规电池。能量产生装置50的优点是与电池相比的低比重，这是移动应用所希望的。储氢材料的特定反应行为(即，一旦开始，反应将持续进行直到储氢装置10完全排空)对于特定应用(如应急电气应急系统，例如像应急定位发射器、救生筏上的应急系统)是理想的。此外，能量产生装置50还特别适用于其他电驱动的系统，其中甚至在长时间不使用之后，也要求有可靠的电供应。
图3示出了一种用于从储氢装置10中释放氢气的方法100。所述方法100包括：首先，将所述储氢装置连接102到能源。第二，通过所述能源向所述储氢装置10施加104能量。之后，经由在外涂层12中的释氢接口16从所述储氢装置10中释放106氢气。所述能源优选是电源和/或微波源。从能源施加能量导致储氢装置并且特别是内芯材料的加热。这导致储氢材料分解，并且因此导致氢气的产生。对于从释氢接口16可得并且释放的氢气，所产生的氢气的压力需要高于大气压。
图4示出了包含能量产生装置50的飞行器1的示意图。
由于能量产生装置可以设定尺寸并且定制以便以高设计自由度适应任何空间，所以能量产生装置可以位于飞行器中的每个可能的位置。
产生本发明的工作已得到来自European Union's Seventh FrameworkProgramme[欧盟第七框架计划](FP7/2007-2013)的资助，拨款协议号为303447。

Claims (15)

1.一种储氢装置(10)，包括
-内芯材料(14)；
-外涂层(12)；和
-在所述外涂层(12)中的释氢接口(16)；
其中所述内芯材料包括复合材料，所述复合材料含有包含多孔含碳材料的基质材料和包含化学键合的氢的储氢材料。
2.根据权利要求1所述的储氢装置(10)，
其中所述储氢材料包含氨硼烷和/或金属硼氢化物。
3.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，其中所述储氢材料包含氨硼烷或硼氢化镁氨合物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中所述外涂层包含石墨烯、石墨烯衍生的复合材料、纤维材料、氧化铟锡和聚氯乙烯中的至少一种。
5.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中所述包含多孔含碳材料的基质材料包含多孔石墨烯材料并且优选多孔氧化石墨烯。
6.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中所述多孔含碳材料具有1-100mg/cm3、优选5-50mg/cm3、并且更优选8-20mg/cm3的密度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，其中所述多孔含碳材料具有层状孔隙率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中所述外涂层(12)进一步包含导电添加剂。
9.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中所述外涂层(12)被配置为热源并且控制加热所述内芯材料(14)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中在所述内芯材料(14)内安排热源。
11.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中所述释氢接口(16)是阀门。
12.根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)，
其中所述储氢装置(10)是可再充填有氢气的和/或可再循环利用的。
13.一种用于从根据前述权利要求中任一项所述的储氢装置(10)中释放氢气的方法(100)，所述方法包括以下步骤：
-将所述储氢装置(10)连接(102)到能源；
-通过所述能源向所述储氢装置(10)施加(104)能量；
-经由所述释氢接口(16)从所述储氢装置(10)中释放(106)氢气，
其中所述能源优选是电源和/或微波源。
14.一种能量产生装置(50)，所述能量产生装置包括根据权利要求1至12中任一项所述的储氢装置(10)以及燃料电池。
15.一种飞行器(1)，所述飞行器包括根据权利要求1至12中任一项所述的储氢装置(10)或如权利要求14所述的能量产生装置(50)。
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